(57)【要約】【課題】燃料電池部分の、携帯機器搭載に不向きな大型化を招くことなく、燃料極における電気化学反応を燃料極各部で、簡易に均一化でき、それだけ燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】電界質膜１１を燃料極１２と酸素極１３で挟んだ電池本体の燃料極１２に燃料液を供給するとともに酸素極１３に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムＡ。燃料供給路１４２の下流側部分に流れる燃料液を加熱する燃料加熱部２Ａ及び（又は）空気供給路１５２の下流側部分に流れる空気を加熱する空気加熱部３Ａが設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
該燃料極に供給される燃料液及び該酸素極に供給される空気のうち少なくとも一方を、該燃料電池各部における電気化学反応を均一化させるように加熱する加熱手段を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
該燃料電池は、該燃料極に重ねて設けられ、燃料液を導入する燃料導入口及び該燃料導入口に連通し、該燃料極に該燃料液を供給する燃料供給路を有する燃料供給部を有しており、
前記燃料供給部の燃料供給路に流れる燃料液のうち、主として該燃料供給路の下流側部分に流れる燃料液を加熱するための燃料加熱部をさらに含んでいることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料加熱部は、前記燃料供給部に隣接して設けられた熱交換部を含んでおり、該熱交換部は、前記燃料供給部の燃料供給路の下流側部分に対応する部位に、加熱された燃料液を導入するための加熱燃料導入部を有しているとともに、該加熱燃料導入部から、前記燃料供給部の燃料供給路中を流れる燃料液に対し向流状態で該燃料供給部の前記燃料導入口へ燃料液を導く燃料流路を有している請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
高濃度燃料液を供給する第１ポンプを含む高濃度燃料液供給路、希釈液を供給する第２ポンプを含む希釈液供給路及び該高濃度燃料液供給路から供給される高濃度燃料液と該希釈液供給路から供給される希釈液とを混合して前記燃料液として前記熱交換部の加熱燃料導入部へ供給する混合流路を有しており、前記燃料加熱部は、該高濃度燃料液、該希釈液及び該加熱燃料導入部へ供給される希釈された燃料液のうち少なくとも一つを加熱する発熱部を含んでいる請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記高濃度燃料液供給路、希釈液供給路及び混合流路は、前記熱交換部に設けられている請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料加熱部は、主として前記燃料供給部の燃料供給路の下流側部分に流れる燃料液を加熱するように該燃料供給部に対して設けられている発熱部である請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
高濃度燃料液を供給する第１ポンプを含む高濃度燃料液供給路、希釈液を供給する第２ポンプを含む希釈液供給路及び該高濃度燃料液供給路から供給される高濃度燃料液と該希釈液供給路から供給される希釈液とを混合して前記燃料液として前記燃料供給部の燃料導入口へ供給する混合流路を有している請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記高濃度燃料液供給路、希釈液供給路及び混合流路は前記燃料供給部に設けられている請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記各ポンプは、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１及び第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置されたアクチュエータを含んでおり、該アクチュエータで該ポンプ室壁を振動させることで該ポンプ室容積を変動させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項５又は８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池は、前記酸素極に重ねて設けられ、空気を導入する空気導入口及び該空気導入口に連通し、該酸素極に該空気を供給する空気供給路を有する空気供給部を備えており、
該空気供給部の空気供給路に流れる空気のうち、主として該空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するための空気加熱部をさらに含んでいる請求項２から９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記空気供給部における空気供給路の下流側部分は、前記電池本体を間にして、前記燃料供給部における燃料供給路の下流側部分に対向している請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記空気供給部の空気供給路に溜まる液体を該空気供給路から回収するための回収ポンプを含む液回収路を有している請求項１０又は１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記液回収路は前記空気供給部に設けられている請求項１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記回収ポンプは、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１及び第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置されたアクチュエータを含んでおり、該アクチュエータで該ポンプ室壁を振動させることで該ポンプ室容積を変動させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記空気加熱部は、前記空気供給部に隣接して設けられた熱交換部を含んでおり、該熱交換部は、前記空気供給部の空気供給路の下流側部分に対応する部位に、加熱された空気を導入するための加熱空気導入部を有しているとともに、該加熱空気導入部から、前記空気供給部の空気供給路中を流れる空気に対し向流状態で該空気供給部の前記空気導入口へ空気を導く空気流路を有している請求項１０、１１又は１２記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記空気加熱部は、前記熱交換部の加熱空気導入部へ供給される空気を加熱する発熱部を含んでいる請求項１５記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記空気加熱部は、主として前記空気供給部の空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するように該空気供給部に対して設けられている発熱部である請求項１０から１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
該燃料電池は、該酸素極に重ねて設けられ、空気を導入する空気導入口及び該空気導入口に連通し、該酸素極に該空気を供給する空気供給路を有する空気供給部を有しており、  前記空気供給部の空気供給路に流れる空気のうち、主として該空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するための空気加熱部をさらに含んでいることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
前記空気供給部の空気供給路に溜まる液体を該空気供給路から回収するための回収ポンプを含む液回収路を有している請求項１８記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記液回収路は前記空気供給部に設けられている請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記回収ポンプは、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１及び第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置されたアクチュエータを含んでおり、該アクチュエータで該ポンプ室壁を振動させることで該ポンプ室容積を変動させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項２０記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記空気加熱部は、前記空気供給部に隣接して設けられた熱交換部を含んでおり、該熱交換部は、前記空気供給部の空気供給路の下流側部分に対応する部位に、加熱された空気を導入するための加熱空気導入部を有しているとともに、該加熱空気導入部から、前記空気供給部の空気供給路中を流れる空気に対し向流状態で該空気供給部の前記空気導入口へ空気を導く空気流路を有している請求項１８又は１９記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記空気加熱部は、前記熱交換部の加熱空気導入部へ供給される空気を加熱する発熱部を含んでいる請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記空気加熱部は、主として前記空気供給部の空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するように該空気供給部に対して設けられている発熱部である請求項１８から２１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
電子機器の電源として該電子機器に搭載される燃料電池システムであり、前記発熱部は、該電子機器における発熱体である請求項４から９、１６、１７、２３及び２４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システム、例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)のように、燃料液を用いる燃料電池を利用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドなどの大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話機、各種携帯情報端末（ＰＤＡ）機器等）向けの燃料電池として適していると言えるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されており、盛んに研究されている。
【０００４】
ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極（アノード）側での反応：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ 
酸素極（カソード）側での反応：(3/2) Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
全反応          ：ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【０００５】
この反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応し、ＣＯ2 と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って酸素極（空気極）に、プロトンは電界質層を通って酸素極（空気極）にそれぞれ別ルートで送られ、そこで反応し、水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。
【０００６】
上記反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応する。燃料液としては、メタノールやメタノール濃度が高濃度である燃料液をそのまま用いることもできるが、メタノール濃度が３〜５％と低濃度の燃料液が用いられることがある。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうというクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び酸素極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が酸素極でも起こり、燃料の無駄と酸素極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、かかる低濃度の燃料液が用いられることがある。
【０００７】
ところで、かかるＤＭＦＣのように、燃料極に燃料液を供給して発電させる燃料電池では、燃料極への燃料液供給にあたって、通常、該燃料極に重ねて設けられた燃料供給部が用いられる。かかる燃料供給部は、燃料導入口と、該導入口に連通し、該燃料極に燃料液を供給する燃料供給路を有している。
【０００８】
この場合、燃料液として、例えば高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を採用する場合、該燃料液をかかる燃料供給部の燃料導入口から燃料供給路に供給すると、該導入口から遠くなるほど、そこに至るまでの部位における燃料消費により、燃料導入口近傍部位より燃料濃度が低下し、燃料極各部で燃料濃度差が生じる。
【０００９】
また、燃料液として、メタノールやメタノール濃度が高濃度である燃料液をそのまま用いる場合でも、例えば酸素極側で生成される水が電界質膜を通過して燃料極側へ到来し、該燃料液におけるメタノール濃度を低下させることがあり、この場合、前記希釈燃料液を燃料液として採用した場合と同様に、燃料導入口近傍部位より遠い、燃料供給路の下流側部分で燃料濃度が低下し、そのため燃料極各部で燃料濃度差が生じることがある。
いずれにしても、かかる燃料濃度差は燃料電池各部間での電気化学反応の差として現れ、これが燃料電池の発電効率（出力効率、エネルギ効率など）を著しく低下させる。
【００１０】
この点、特開２００２−５６８５８号公報には、燃料電池の燃料極へ供給される燃料液の流れを１又は２以上の多段化プレートで分岐させ、該プレートにより燃料液が燃料極の各部に分散供給されるようにし、各プレートには燃料極への燃料液出口として、矩形、三角形等の開口部を設けたり、円形、楕円形等の穴を分散形成することが記載されている。      
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−５６８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特開２００２−５６８５８号公報に記載されているように、発電効率を向上させるための多段化プレートを燃料極に対して設ける場合、該プレートが１枚だけでは、燃料を燃料極の各部に対し均一に供給することは実際には困難である。特に、燃料極面積が大きくなってくると、ますます困難になる。従って、燃料極各部に同じ燃料濃度の燃料液を均一に供給するには、複数枚のプレートが必要になってくるが、それでは電池本体に直接的に付随する燃料供給路構成部分の構造が複雑化し、厚みが増し、薄型化が求められる携帯機器用の電池として不向きになる。
【００１３】
また、ＤＭＦＣのように、酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池では、酸素極への空気供給にあたって、該酸素極に重ねて設けられ、空気導入口と、該導入口に連通し、該酸素極に空気を供給する空気供給路を有する空気供給部を採用することが考えられるが、この場合、空気をかかる空気供給部の空気導入口から空気供給路に供給すると、該導入口から遠くなるほど、そこに至るまでの部位における酸素消費により、空気導入口近傍部位より空気中の酸素濃度が低下し、酸素極各部で空気中の酸素濃度差が生じる。
【００１４】
かかる酸素濃度差も燃料電池各部間での電気化学反応の差として現れ、これが燃料電池の発電効率を低下させる。
前記の特開２００２−５６８５８号公報に記載の技術ではこのような問題に対応できない。
【００１５】
そこで本発明は、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであって、燃料電池部分の、携帯機器に不向きな大型化を招くことなく、燃料極及び酸素極のうち少なくとも一方における電気化学反応を極各部で均一化でき、それだけ燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は前記課題を解決するため、
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
該燃料極に供給される燃料液及び該酸素極に供給される空気のうち少なくとも一方を、該燃料電池各部における電気化学反応を均一化させるように加熱する加熱手段を有している燃料電池システムを提供する。
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムによると、燃料極に供給される燃料液及び酸素極に供給される空気のうち少なくとも一方を、燃料電池各部における電気化学反応を均一化させるように加熱する加熱手段を有しているから、該加熱手段によるかかる加熱により、それだけ燃料電池各部での電気化学反応が均一化され、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
また、かかる加熱手段は、燃料液や空気を加熱すれば足りるから、燃料電池部分の格別の大型化を招くことなく簡易に設けることが可能である。
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムのより具体的なものとして、次の三つの燃料電池システムを挙げることができる。
【００１９】
（１）第１の燃料電池システム
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
該燃料電池は、該燃料極に重ねて設けられ、燃料液を導入する燃料導入口及び該燃料導入口に連通し、該燃料極に該燃料液を供給する燃料供給路を有する燃料供給部を有しており、
前記燃料供給部の燃料供給路に流れる燃料液のうち、主として該燃料供給路の下流側部分に流れる燃料液を加熱するための燃料加熱部をさらに含んでいる燃料電池システム。
【００２０】
ここで、「燃料供給路の下流側部分」とは、燃料供給路のうち燃料供給路始端部（或いは燃料導入口）よりは燃料供給路終端部により近い部分の全部又は一部であり、例えば、燃料供給路の終端部を含む部分や、該終端部よりは若干上流側の部分等を指す。
【００２１】
また、「主として燃料供給路の下流側部分に流れる燃料液の加熱」には、燃料供給路のうち、その下流側部分に流れる燃料液が高温に加熱され、該下流側部分より前記燃料導入口により近い部分に流れる燃料液ほど加熱温度が低下するように温度勾配が形成される状態で加熱する場合や、燃料供給路の下流側部分に流れる燃料液を集中的、局部的に加熱する場合等のいずれも含まれる。
これらの点は、後述する第３の燃料電池システムにおいても同様である。
【００２２】
（２）第２の燃料電池システム
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
該燃料電池は、該酸素極に重ねて設けられ、空気を導入する空気導入口及び該空気導入口に連通し、該酸素極に該空気を供給する空気供給路を有する空気供給部を有しており、  前記空気供給部の空気供給路に流れる空気のうち、主として該空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するための空気加熱部をさらに含んでいる燃料電池システム。
【００２３】
ここで、「空気供給路の下流側部分」とは、空気供給路のうち空気供給路始端部（或いは空気導入口）よりは空気供給路終端部により近い部分の全部又は一部であり、例えば、空気供給路終端部を含む部分や、該終端部よりは若干上流側の部分等を指す。
【００２４】
また、「主として空気供給路の下流側部分に流れる空気の加熱」には、空気供給路のうち、その下流側部分に流れる空気が高温に加熱され、該下流側部分より前記空気導入口により近い部分に流れる空気ほど加熱温度が低下するように温度勾配が形成される状態で加熱する場合や、空気供給路の下流側部分に流れる空気を集中的、局部的に加熱する場合等のいずれも含まれる。
これらの点は、次の第３の燃料電池システムにおいても同様である。
【００２５】
（３）第３の燃料電池システム
第１の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が、前記酸素極に重ねて設けられ、空気を導入する空気導入口及び該空気導入口に連通し、該酸素極に該空気を供給する空気供給路を有する空気供給部を備えており、
該空気供給部の空気供給路に流れる空気のうち、主として該空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するための空気加熱部をさらに含んでいる燃料電池システム。
【００２６】
次に第１〜第３のシステムについてさらに説明する。
（１−１）第１の燃料電池システムについて
第１の燃料電池システムによると、燃料液は、燃料供給部の燃料導入口から供給されて燃料供給路により燃料極の各部へ導かれ、発電に供される。このとき、燃料導入口から供給された燃料液の燃料濃度は、燃料導入口から遠ざかるほど、換言すれば、燃料供給路の下流側へ向かうほど、そこへ至るまでの燃料消費により低下し、燃料極各部で燃料濃度差が生じる。
【００２７】
しかし、燃料供給部の燃料供給路に流れる燃料液のうち、主として該燃料供給路の下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液を燃料加熱部により加熱することができ、かかる燃料液加熱により、低濃度燃料液が供給される燃料極部分も加熱され（換言すれば、燃料液を熱媒として低濃度燃料液が供給される燃料極部分が加熱され）、かかる加熱により、低濃度燃料液が供給される燃料極部分においても、燃料濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、燃料極全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、燃料濃度差の発生にも拘らず、それだけ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００２８】
しかも、かかる電気化学反応の均一化、ひいては、燃料電池効率の向上は、主として燃料供給路の下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液を燃料加熱部により加熱することで達成できるので、燃料電池の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００２９】
前記加熱部として、前記燃料供給部に隣接して設けられた熱交換部を含んでいるものを例示できる。
かかる熱交換部としては、例えば、前記燃料供給部の燃料供給路の下流側部分に対応する部位に、加熱された燃料液を導入するための加熱燃料導入部を有しているとともに、該加熱燃料導入部から、前記燃料供給部の燃料供給路中を流れる燃料液に対し向流状態（流れ方向が反対向きの状態）で該燃料供給部の前記燃料導入口へ燃料液を導く燃料流路を有しているものを挙げることができる。
【００３０】
いずれにしても、第１の燃料電池システムにおいては、燃料液として、高濃度燃料液（希釈されていない燃料液である場合も含む）をそのまま用いることも可能であるが、燃料液として、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いることもできる。
希釈された燃料液を用いる場合、燃料電池システムは、高濃度燃料液を供給する第１ポンプを含む高濃度燃料液供給路、希釈液を供給する第２ポンプを含む希釈液供給路及び該高濃度燃料液供給路から供給される高濃度燃料液と該希釈液供給路から供給される希釈液とを混合して燃料液として前記熱交換部の加熱燃料導入部へ供給する混合流路を備えることができる。
【００３１】
この場合、前記燃料加熱部に、該高濃度燃料液、該希釈液及び該加熱燃料導入部へ供給される希釈された燃料液のうち少なくとも一つを加熱する発熱部を含めることができる。  かかる高濃度燃料液供給路、希釈液供給路及び混合流路は、システムのコンパクト化のために、前記熱交換部に設けてもよい。
【００３２】
また、前記燃料加熱部は、主として前記燃料供給部の燃料供給路の下流側部分に流れる燃料液を加熱するように該燃料供給部に対して設けられている発熱部であってもよい。この場合、発熱部は、燃料供給部に直接設けられてもよく、他の部材を介して設けられてもよい。
【００３３】
このような発熱部を採用する場合も、燃料電池システムは、高濃度燃料液を供給する第１ポンプを含む高濃度燃料液供給路、希釈液を供給する第２ポンプを含む希釈液供給路及び該高濃度燃料液供給路から供給される高濃度燃料液と該希釈液供給路から供給される希釈液とを混合して前記燃料液として前記燃料供給部の燃料導入口へ供給する混合流路を含むことができる。
そして、システムのコンパクト化のために、該高濃度燃料液供給路、希釈液供給路及び混合流路は前記燃料供給部に設けてもよい。
【００３４】
いずれにしても、高濃度燃料液を供給する第１ポンプを含む高濃度燃料液供給路と、希釈液を供給する第２ポンプを含む希釈液供給路と、該高濃度燃料液供給路から供給される高濃度燃料液と該希釈液供給路から供給される希釈液とを混合して前記燃料液として、前記熱交換部の加熱燃料導入部へ、或いは前記燃料供給部の燃料導入口へ供給する混合流路とを採用する場合、かかるポンプとして、次の、微小に、コンパクトに形成できるポンプを例示することができる。
【００３５】
すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１及び第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置されたアクチュエータを含んでおり、該アクチュエータで該ポンプ室壁を振動させることで該ポンプ室容積を変動させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである。アクチュエータとしては、代表例として圧電素子を挙げることができる。
【００３６】
（２−１）第２の燃料電池システムについて
第２の燃料電池システムによると、電池本体の酸素極へ供給されるべき空気は、空気供給部の空気導入口から供給されて空気供給路により酸素極の各部へ導かれ、発電に供される。このとき、空気導入口から供給された空気中の酸素濃度は、空気導入口から遠ざかるほど、換言すれば、空気供給路の下流側へ向かうほど、そこへ至るまでの酸素消費により低下し、酸素極各部で空気中の酸素濃度差が生じる。
【００３７】
しかし、空気供給部の空気供給路に流れる空気のうち、主として該空気供給路の下流側部分に流れる、酸素濃度が低下した空気を空気加熱部により加熱することができ、かかる空気加熱により、低酸素濃度空気が供給される酸素極部分も加熱され（換言すれば、空気を熱媒として低酸素濃度空気が供給される酸素極部分が加熱され）、かかる加熱により、低酸素濃度空気が供給される酸素極部分においても、酸素濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、酸素極全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、酸素濃度差の発生にも拘らず、それだけ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００３８】
しかも、かかる電気化学反応の均一化、ひいては、燃料電池効率の向上は、主として空気供給路の下流側部分に流れる、酸素濃度が低下した空気を空気加熱部により加熱することで達成できるので、燃料電池の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００３９】
第２の燃料電池システムは、前記空気供給部の空気供給路に溜まる液体（例えば、酸素極における電気化学反応により生成する水、燃料極側から電解質膜を通って酸素極側へ到来することがある液体）を該空気供給路から回収するための回収ポンプを含む液回収路を有していてもよい。このように回収される液は、高濃度燃料液の希釈液に混ぜて再使用することも可能である。液回収路には、必要に応じ、気液分離器を設けてもよい。
【００４０】
かかる液回収路を設ける場合、システムのコンパクト化のために、該液回収路は前記空気供給部に設けてもよい。液回収路を空気供給部に設ける場合、前記液回収ポンプとして、次の、微小に、コンパクトに形成できるポンプを例示することができる。
【００４１】
すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１及び第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置されたアクチュエータを含んでおり、該アクチュエータで該ポンプ室壁を振動させることで該ポンプ室容積を変動させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである。アクチュエータとしては、代表例として圧電素子を挙げることができる。
【００４２】
前記空気加熱部は、前記空気供給部に隣接して設けられた熱交換部を含んでいてもよい。かかる熱交換部として、前記空気供給部の空気供給路の下流側部分に対応する部位に、加熱された空気を導入するための加熱空気導入部を有しているとともに、該加熱空気導入部から、前記空気供給部の空気供給路中を流れる空気に対し向流状態で該空気供給部の前記空気導入口へ空気を導く空気流路を有しているものを例示できる。
【００４３】
かかる熱交換部を採用する場合、前記空気加熱部は、熱交換部の加熱空気導入部へ供給される空気を加熱する発熱部を含んでいてもよい。
【００４４】
また、前記空気加熱部は、主として前記空気供給部の空気供給路の下流側部分に流れる空気を加熱するように該空気供給部に対して設けられている発熱部であってもよい。この場合、該発熱部は、空気供給部に直接設けられてもよく、他の部材を介して設けられてもよい。
【００４５】
（３−１）第３の燃料電池システムについて
第３の燃料電池システムは、前記第１、第２の燃料電池システムを組み合わせたものであり、第１、第２のシステムについて説明したことは概ね第３のシステムにも適用可能である。                                                                        
【００４６】
第３のシステムでは、前記空気供給部における空気供給路の下流側部分は、前記電池本体を間にして、前記燃料供給部における燃料供給路の下流側部分に対向させてもよい。そうすることで、燃料濃度が低下した燃料液及び酸素濃度が低下した空気を燃料極側、酸素極側の双方から互いに加熱することができ、それだけ、一層発電効率を高めることができる。
【００４７】
本発明にかかる燃料電池システムは、電子機器の電源として該電子機器に搭載して利用できるが、このように、電子機器に搭載する場合、前記発熱部として、該電子機器における１又は２以上の発熱する部分（発熱体）を利用してもよい。
【発明の効果】
【００４８】
以上説明したように本発明によると、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであって、燃料電池部分の、携帯機器に不向きな大型化を招くことなく、燃料極及び酸素極のうち少なくとも一方における電気化学反応を極各部で均一化でき、それだけ燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（１）図１、図２及び図３に示す燃料電池システムＡ                                  燃料電池システムＡは、燃料電池１を有している。
電池１は、その本体がダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、電解質膜１１の両面に燃料極（アノード）１２と、酸素極、換言すれば空気極（カソード）１３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のものである。燃料極１２には、プレート状の燃料供給部１４を重ねて貼り合わせてあり、酸素極１３には、プレート状の空気供給部１５を貼り合わせてある。
【００５０】
電界質膜１１は、電界質高分子膜〔例えば、デュポン社製ナフィオン（パーフルオロスルホン酸膜）〕である。燃料極１２は、電解質膜１１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、酸素極１３も電解質膜１１に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。
【００５１】
燃料供給部１４は、燃料導入口１４１を有している。さらに、燃料導入口１４１に連通しているとともに燃料極１２へ向け開放された溝状の燃料供給路１４２を有している。燃料供給路１４２は、図２（Ｂ）に示すように、ジグザグのサーペンタイン形状に形成されている。燃料供給部１４は、燃料供給路１４２に連通するガス放出孔１４３も有している。
【００５２】
空気供給部１５は、外部空気を導入する空気導入口１５１を有している。さらに、空気導入口１５１に連通しているとともに酸素極１３に向け開放された溝状の空気供給路１５２を有している。空気供給路１５２は、図３（Ｂ）に示すように、ジグザグのサーペンタイン形状に形成されている。空気供給部１５は、また、そこに溜まる液体を回収するための液導出口１５３も有している。
【００５３】
燃料供給部１４に対して、燃料加熱部２Ａを設けてある。加熱部２Ａは、燃料供給部１４に重ねて貼り合わされた、プレート状の熱交換部２１及び後述する発熱部２２を含んでいる。
【００５４】
熱交換部２１は、加熱された燃料液を導入する加熱燃料導入口２１１と、これに連通する燃料流路２１２を有している。燃料流路２１２は、燃料供給部１４へ向け開放された溝状に形成されており、図２（Ａ）に示すように、ジグザグのサーペンタイン形状に形成されている。燃料流路２１２は、燃料供給部１４の燃料供給路１４２に、燃料供給部壁を介して重なるように形成されている。
【００５５】
燃料流路２１２の、前記加熱燃料導入口２１１（加熱燃料導入部の１例）とは反対側の端部２１２ａは、燃料供給部１４の燃料導入口１４１に連通している。熱交換部２１の燃料導入口２１１から供給される燃料液は、燃料流路２１２の始端部２１２ｓから終端部２１２ｅへ流れ、そこから、燃料供給部１４の燃料導入口１４１を経て燃料供給路１４２へ流入し、その始端部１４２ｓから終端部１４２ｅへ向け流れる。このように、熱交換部２１における燃料液の流れは、燃料供給部１４の燃料導入口１４１から供給路終端部１４２ｅへ向かう燃料液の流れとは逆向きの向流状態となる。
【００５６】
空気供給部１５に対して、空気加熱部３Ａを設けてある。加熱部３Ａは、空気供給部１５に重ねて貼り合わされた、プレート状の熱交換部３１及び発熱部３２を含んでいる。
【００５７】
熱交換部３１は、発熱部３２により加熱された外部空気を導入する加熱空気導入口３１１と、これに連通する空気流路３１２を有している。空気流路３１２は、空気供給部１５へ向け開放された溝状に形成されており、図３（Ａ）に示すように、ジグザグのサーペンタイン形状に形成されている。空気流路３１２は、空気供給部１５の空気供給路１５２に、空気供給部壁を介して重なるように形成されている。
発熱部３２は、適当なヒータを利用したものでもよいが、燃料電池システムＡが電子機器の電源として利用されるものであるときは、該電子機器における発熱する部分（発熱体）を利用したものでもよい。
【００５８】
空気流路３１２の、前記加熱空気導入口３１１（加熱空気導入部の１例）とは反対側の端部３１２ａは、空気供給部１５の空気導入口１５１に連通している。熱交換部３１の空気導入口３１１から供給される空気は、空気流路３１２の始端部３１２ｓから終端部３１２ｅへ流れ、そこから、空気供給部１５の空気導入口１５１を経て空気供給路１５２へ流入し、その始端部１５２ｓから終端部１５２ｅへ向け流れる。このように、熱交換部３１における空気の流れは、空気供給部１５の空気導入口１５１から供給路終端部１５２ｅへ向かう空気の流れとは逆向きの向流状態となる。
【００５９】
図１の燃料電池システムＡは、さらに、
高濃度燃料液（ここでは高濃度メタノール水溶液）を収容した容器Ｃ１、
容器Ｃ１からの高濃度燃料液を供給するポンプＰ１を含む高濃度燃料液供給路Ｌ１、
希釈液（ここでは水或いは水を主成分とする希釈液）を収容する容器Ｃ２、
容器Ｃ２からの希釈液を供給するポンプＰ２を含む希釈液供給路Ｌ２、及び
供給路Ｌ１から供給される高濃度燃料液と供給路Ｌ２から供給される希釈液とを混合して希釈燃料液として前記熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１へ導く混合流路Ｌ３、及び  空気供給部１５に溜まる液を、該空気供給部の液導出口１５３及び前記熱交換部３１に設けた通液孔３１２ｂを介して容器Ｃ２へ回収するポンプＰ３を含む液回収路Ｌ４を含んでいる。
【００６０】
前記の燃料加熱部２Ａを構成する発熱部２２は、この混合流路Ｌ３を流れる希釈燃料液を加熱するように設けてある。これにより、熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１に加熱された燃料液を供給することができる。なお、発熱部としては、発熱部２２に代えて、例えば、高濃度燃料液を加熱できるように容器Ｃ１に対して発熱部２３を設けたり、希釈液を加熱できるように容器Ｃ２に対して発熱部２４を設けたりしてもよく、これら発熱部２２、２３、２４のうち２以上を組み合わせ設ける等してもよい。要するに、熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１に加熱された燃料液を供給できるように設ければよい。
これら発熱部は、適当なヒータを利用したものでもよいが、燃料電池システムＡが電子機器の電源として利用されるものであるときは、該電子機器における発熱する部分（発熱体）を利用したものでもよい。
【００６１】
燃料供給部１４において余剰燃料液が発生するような場合に備えて、燃料供給路終端部１４２ｅに、前記希釈液収容容器Ｃ２へ連通する燃料液循環路Ｌ５を設けてもよい（図１参照）。かかる循環路Ｌ５には、必要に応じ、液循環用ポンプを設けてもよく、また、必要に応じ気液分離器を設けてもよい。
また、前記液回収路Ｌ４にも、必要に応じて、気液分離器４を設けてもよい。
【００６２】
燃料電池システムＡによると、ポンプＰ１、Ｐ２の運転により容器Ｃ１からの高濃度燃料液及び容器Ｃ２からの希釈液が、混合流路Ｌ３において混合されて希釈された燃料液が作られるとともに、該燃料液が発熱部２２により加熱され、かかる加熱された燃料液が熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１に供給され、該導入口２１１から熱交換部内の燃料流路２１２に流れ、さらに、燃料供給部１４の燃料導入口１４１を経て該燃料供給部１４内の燃料供給路１４２に流れ、燃料極１２に供給され、発電に供される。
【００６３】
一方、空気供給部１５側の熱交換部３１において、発熱部３２により加熱された外部空気が加熱空気導入口３１１から、これに連通する空気流路３１２へ流入し、さらに、空気供給部１５の空気導入口１５１を経て該空気供給部１５内の空気供給路１５２に流れ、酸素極１３に供給され、発電に供される。
かくして、燃料極１２及び酸素極１３に接続される負荷ＬＤに通電することができる。      
【００６４】
燃料極１２側で発生するガスは、燃料供給部１４に形成されたガス放出孔１４３（図２（Ｂ）参照）から外部へ放出される。
燃料電池本体における電気化学反応により酸素極１４で発生する水及び電界質膜１１を通って燃料極１２側から酸素極１４側へ到来することがある液は、空気供給部１５の空気供給路１５２に溜まるが、これら液体は、ポンプＰ３の運転にて液回収路Ｌ４を介して希釈液収容容器Ｃ２へ回収される。
【００６５】
かかるポンプＰ３の吸引動作により、熱交換部３１内へ、さらに空気供給部１５へ外部空気を吸引できるが、必要に応じ、熱交換部３１の空気導入口３１１に通じる空気通路に空気供給ポンプを設けてもよい。また、液回収路Ｌ４には、必要に応じ、気液分離器を設けてもよい。
【００６６】
燃料電池システムＡでは、希釈燃料液は、燃料供給部１４の燃料導入口１４１から供給されて燃料供給路１４２により燃料極１２の各部へ導かれ、発電に供される。このとき、燃料導入口１４１から供給された燃料液の燃料濃度は、燃料導入口１４１から遠ざかるほど、換言すれば、燃料供給路１４２の終端部１４２ｅに近づくほど、そこへ至るまでの燃料消費により低下し、燃料極各部で燃料濃度差が生じる。
【００６７】
しかし、システムＡでは、発熱部２２により加熱された燃料液が熱交換部２１の燃料流路２１２を、燃料供給部１４内の燃料供給路１４２による燃料液の流れに対して向流状態で流れるので、燃料供給路１４２に流れる燃料液のうち、該燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液が他より高温に加熱され、それにより、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分も高温に加熱され（換言すれば、燃料液を熱媒として低濃度燃料液が供給される燃料極部分が加熱され）、かかる加熱により、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分においても、燃料濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、燃料極１２全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、燃料濃度差の発生にも拘らず、それだけ燃料電池の発電効率が高められる。
発熱部２２による燃料液の加熱の程度は、かかる効果を得られるものとすればよい。
【００６８】
かかる燃料極側における電気化学反応の均一化、ひいては、燃料電池効率の向上は、主として燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液を、熱交換部２１と発熱部２２による加熱部２Ａにより加熱することで達成できるので、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。      
【００６９】
また、燃料電池システムＡでは、外部空気は、空気供給部１５の空気導入口１５１から供給されて空気供給路１５２により酸素極１３の各部へ導かれ、発電に供されるが、このとき、空気導入口１５１から供給された空気中の酸素濃度は、空気導入口１５１から遠ざかるほど、換言すれば、空気供給路１５２の終端部１５２ｅに近づくほど、そこへ至るまでの酸素消費により低下し、酸素極各部で酸素濃度差が生じる。
【００７０】
しかし、システムＡでは、発熱部３２により加熱された空気が熱交換部３１の空気流路３１２を、空気供給部１５内の空気供給路１５２による空気流れに対して向流状態で流れるので、空気供給路１５２に流れる空気のうち、該空気供給路の終端部１５２ｅを含む下流側部分に流れる、酸素濃度が低下した空気が他より高温に加熱され、それにより、低酸素濃度空気が供給される酸素極１３の部分も高温に加熱され（換言すれば、空気を熱媒として低酸素濃度空気が供給される酸素極部分が加熱され）、かかる加熱により、低酸素濃度空気が供給される酸素極１３の部分においても、酸素濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、酸素極１２全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、酸素濃度差の発生にも拘らず、それだけ燃料電池の発電効率が高められる。
発熱部３２による空気の加熱の程度は、かかる効果を得られるものとすればよい。
【００７１】
かかる酸素極側における電気化学反応の均一化、ひいては、燃料電池効率の向上は、主として空気供給路の終端部１５２ｅを含む下流側部分に流れる、酸素濃度が低下した空気を、熱交換部３１と発熱部３２による加熱部３Ａにより加熱することで達成できるので、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００７２】
以上、説明したように、燃料電池システムＡにおいては、燃料液の燃料濃度勾配の発生、空気の酸素濃度勾配の発生にも拘らず、燃料電池の発電効率が高められる。
燃料電池システムＡにおいては、燃料液の加熱と空気の加熱の双方を採用したが、これらのうちいずれか一方を採用するだけでも、それだけ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００７３】
燃料電池システムＡにおいては、燃料極１２側において燃料供給部１４に熱交換部２１を重ね設けたが、コンパクト化のために、図４に例示するように、１枚の基板の片面に、前記燃料供給路１４２と同様の燃料供給路１４２’を形成して燃料供給部１４’とするとともに、該基板の反対側の面に、前記燃料流路２１２と同様の燃料流路２１２’を形成して熱交換部２１’としてもよい。図４において、１４１’は燃料供給路１４２’に連通する燃料導入口であり、２１１’は燃料流路２１２’に連通する加熱燃料導入口であり、１４０は、燃料流路２１２’を閉じる蓋板である。２Ａ’は熱交換部２１’と発熱部２２とからなる燃料加熱部である。
【００７４】
また、燃料電池システムＡにおいては、酸素極１３側において空気供給部１５に熱交換部３１を重ね設けたが、コンパクト化のために、図４に例示するように、１枚の基板の片面に、前記空気供給路１５２と同様の空気供給路１５２’を形成して空気供給部１５’とするとともに、該基板の反対側の面に、前記空気流路３１２と同様の空気流路３１２’を形成して熱交換部３１’としてもよい。図４において、１５１’は空気供給路１５２’に連通する空気導入口であり、３１１’は空気流路３１２’に連通する加熱空気導入口であり、１５３’は空気供給路１５２’に連通する液導出口であり、１５０は、空気流路３１２’を閉じる蓋板である。３Ａ’は熱交換部３１’と発熱部３２とからなる空気加熱部である。
【００７５】
（２）図５及び図６に示す燃料電池システムＢ                                        燃料電池システムＢは、燃料電池システムＡにおいて、燃料加熱部２Ａに代えて、従って熱交換部２１及び発熱部２２に代えて、燃料加熱部２Ｂを採用したものである。これに伴い、希釈燃料液の流路（混合流路）Ｌ３は、燃料供給部１４の燃料導入口１４１に接続されている。
【００７６】
また、燃料電池システムＡにおいて、空気加熱部３Ａに代えて、従って熱交換部３１及び発熱部３２に代えて、空気加熱部Ｈを採用したものである。これに伴い、液回収路Ｌ４は、空気供給部１５の液導出口１５３に直接接続されている。
システムＡと実質上同じ部分、部品にはシステムＡと同じ参照符号を付してある。
【００７７】
燃料加熱部２Ｂは発熱部であり、燃料供給部１４に対して設けられており、さらに言えば、燃料供給部１４の、燃料供給路終端部１４２ｅを含む燃料供給路の下流側部分に対応する部位に設けられている（図６（Ａ）も参照）。
空気加熱部Ｈは発熱部であり、空気供給部１５に対して設けられており、さらに言えば、空気供給部１５の、空気供給路終端部を含む空気供給路の下流側部分に対応する部位に設けられている（図６（Ｂ）参照）。
【００７８】
加熱部２Ｂ（発熱部）や加熱部Ｈ（発熱部）は、適当なヒータを利用したものでもよいが、燃料電池システムＢが電子機器の電源として利用されるものであるときは、該電子機器における発熱する部分（発熱体）を利用したものでもよい。
【００７９】
燃料電池システムＢにおいても、システムＡと同様に発電させることができる。
システムＢでも、燃料供給部１４の燃料導入口１４１から供給された燃料液の燃料濃度は、燃料導入口１４１から遠ざかるほど、換言すれば、燃料供給路１４２の終端部１４２ｅに近づくほど、そこへ至るまでの燃料消費により低下し、燃料極各部で燃料濃度差が生じる。
【００８０】
しかし、燃料供給路１４２に流れる燃料液のうち、該燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液が、発熱部２Ｂにより加熱され、それにより、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分も加熱され、かかる加熱により、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分においても、燃料濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、燃料極１２全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、燃料濃度差の発生にも拘らず、燃料電池の発電効率が高められる。発熱部２Ｂによる燃料液の加熱の程度は、かかる効果を得られるものとすればよい。
これらは、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００８１】
また、システムＢでも、空気供給部１５の空気導入口１５１から空気供給路１５２内へ流入する空気中の酸素濃度は、空気導入口１５１から遠ざかるほど、換言すれば、空気供給路１５２の終端部に近づくほど、そこへ至るまでの酸素消費により低下し、酸素極各部で酸素濃度差が生じる。
【００８２】
しかし、空気供給路１５２に流れる空気のうち、該空気供給路の終端部を含む下流側部分に流れる、酸素濃度が低下した空気が、発熱部Ｈにより加熱され、それにより、低酸素濃度空気が供給される酸素極１３の部分も加熱され、かかる加熱により、低酸素濃度空気が供給される酸素極１３の部分においても、酸素濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、酸素極１３全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、酸素濃度差の発生にも拘らず、燃料電池の発電効率が高められる。発熱部Ｈによる空気の加熱の程度は、かかる効果を得られるものとすればよい。
これらは、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００８３】
（３）図７及び図８に示す燃料電池システムＣ
燃料電池システムＣは、システムＡにおいて、ポンプＰ１、Ｐ２をマイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２として、これらマイクロポンプを含む、全体としてプレート状のポンプユニット１６を熱交換部２１に貼り合わせるとともに燃料加熱部２Ａに代えて燃料加熱部２Ｃを採用したものである。
さらに、空気加熱部３Ａに代えて、マイクロポンプＭＰ３を含む、全体としてプレート状のポンプユニット１８を空気供給部１５に貼り合わせ、ポンプユニット１８に空気加熱部（発熱部）Ｈ’を設けた（換言すれば、ポンプユニット１８を介して空気供給部１５に空気加熱部（発熱部）Ｈ’を設けた）ものである。
【００８４】
燃料加熱部２Ｃは、熱交換部２１及びポンプユニット１６に対して設けた発熱部２５を含んでいる。
システムＡにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等にはシステムＡと同じ参照符号を付してある。
【００８５】
ポンプユニット１６は、図８（Ａ）に示すように、マイクロポンプＭＰ１を含む高濃度燃料液供給路１６１と、マイクロポンプＭＰ２を含む希釈液供給路１６２と、供給路１６１から供給される高濃度燃料液と供給路１６２から供給される希釈液とを混合して希釈された燃料液とし、これを熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１に供給する混合流路１６３とを有している。供給路１６１、１６２及び混合流路１６３は、熱交換部２１に向け開放された溝状に形成されている。
【００８６】
供給路１６１の入口１６１ａには高濃度燃料液を収容した容器Ｃ１が接続され、供給路１６２の入口１６２ａには希釈液収容容器Ｃ２が接続される。
【００８７】
燃料加熱部２Ｃを構成する発熱部２５は、ポンプユニット１６に、その混合流路１６３を流れる希釈燃料液を加熱するように設けてある。これにより、熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１に加熱された燃料液を供給することができる。なお、発熱部としては、発熱部２５に代えて、例えば、高濃度燃料液を加熱できるように容器Ｃ１に対して発熱部２３を設けたり、希釈液を加熱できるように容器Ｃ２に対して発熱部２４を設けたりしてもよく、これら発熱部２２、２３、２５のうち２以上を組み合わせ設ける等してもよい。要するに、熱交換部２１の加熱燃料導入部２１１に加熱された燃料液を供給できるように設ければよい。
【００８８】
空気供給部１５側のポンプユニット１８は、図６（Ｄ）に示すように、マイクロポンプＭＰ３を含む液回収路１８１を有しており、液回収路１８１は、一方で、空気供給部１５の液導出口１５３に連通しており、他方で、貫通孔ｈ、すなわち、空気供給部１５、電池本体、燃料供給部１４、熱交換部２１及びポンプユニット１６を貫通する孔ｈを介して容器Ｃ２に連通している。なお、図８に示す、ポンプユニット１６における孔１６４、熱交換部２１における孔２１３、燃料供給部１４における孔１４４は、かかる貫通孔ｈを構成する孔である。
また、図８（Ｄ）に示す、ポンプユニット１８における孔１８０は、空気供給部１５の空気導入口１５１に連通する外部空気導入用の貫通孔である。
【００８９】
前記の発熱部２５、２３、２４や発熱部Ｈ’は、適当なヒータを利用したものでもよいが、燃料電池システムＣが電子機器の電源として利用されるものであるときは、該電子機器における発熱する部分（発熱体）を利用したものでもよい。
なお、図８（Ａ）におけるＰＺＴ１、ＰＺＴ２はマイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２のアクチュエータである圧電素子であり、図８（Ｄ）におけるＰＺＴ３はマイクロポンプＭＰ３の圧電素子である。マイクロポンプについては後ほど詳述する。
【００９０】
燃料供給部１４の燃料供給路１４２の終端部１４２ｅには、余剰燃料液を希釈液収容容器Ｃ２へ回収する回収路を設けてもよく、さらに、該回収路に必要に応じ、ポンプや気液分離器を設けてもよい。また、空気供給部側のポンプユニット１８から前記貫通孔ｈを介して容器Ｃ２へ繋がる回収路には気液分離器を設けてもよい。
【００９１】
燃料電池システムＣによると、ポンプＭＰ１、ＭＰ２の運転により容器Ｃ１からの高濃度燃料液及び容器Ｃ２からの希釈液が、混合流路１６３において混合されて希釈された燃料液が作られるとともに、該燃料液が発熱部２５により加熱され、かかる加熱された燃料液が熱交換部２１の加熱燃料導入口２１１に供給され、該導入口２１１から熱交換部内の燃料流路２１２に流れ、さらに、燃料供給部１４の燃料導入口１４１を経て該燃料供給部１４内の燃料供給路１４２に流れ、燃料極１２に供給され、発電に供される。
【００９２】
一方、空気供給部１５においては、ポンプユニット１８の孔１８０及び空気供給部１５の空気導入口１５１から該空気供給部内の空気供給路１５２へ外部空気が流入し、酸素極１３へ外部空気が供給され、発電に供される。また、空気供給部１５内の空気供給路１５２の終端部を含む部分の空気が発熱部Ｈ’により加熱される。
かくして、燃料極１２及び酸素極１３に接続される負荷ＬＤに通電することができる。      
【００９３】
燃料極１２側で発生するガスは、燃料供給部１４に形成されたガス放出孔１４３（図８（Ｃ）参照）から外部へ放出される。
燃料電池本体における電気化学反応により酸素極１４で発生する水及び電界質膜１１を通って燃料極１２側から酸素極１４側へ到来することがある液は、空気供給部１５で受けられ、ポンプＭＰ３の運転により容器Ｃ２へ回収される。
また、マイクロポンプＭＰ３の動作により空気供給部１５内へ外部空気を導入できるが、空気供給部１５の空気導入口１５１に通じる部分に空気供給ポンプを設けてもよい。
【００９４】
燃料電池システムＣにおいても、燃料供給部１４の燃料導入口１４１から供給された燃料液の燃料濃度は、燃料導入口１４１から遠ざかるほど、換言すれば、燃料供給路１４２の終端部１４２ｅに近づくほど、そこへ至るまでの燃料消費により低下し、燃料極各部で燃料濃度差が生じる。
【００９５】
しかし、システムＣでは、発熱部２５により加熱された燃料液が熱交換部２１の燃料流路２１２を、燃料供給部１４内の燃料供給路１４２による燃料液の流れに対して向流状態で流れるので、燃料供給路１４２に流れる燃料液のうち、該燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液が他より高温に加熱され、それにより、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分も高温に加熱され、かかる加熱により、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分においても、燃料濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、燃料極１２全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、燃料濃度差の発生にも拘らず、燃料電池の発電効率が高められる。発熱部２５による燃料液の加熱の程度は、かかる効果を得られる程度とすればよい。
【００９６】
かかる電気化学反応の均一化、ひいては、燃料電池効率の向上は、主として燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液を、熱交換部２１と発熱部２５による加熱部２Ｃにより加熱することで達成できるので、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００９７】
また、空気供給部１５の空気導入口１５１から空気供給路１５２へ流入した空気中の酸素濃度は、空気導入口１５１から遠ざかるほど、換言すれば、空気供給路１５２の終端部に近づくほど、そこへ至るまでの酸素消費により低下し、酸素極各部で酸素濃度差が生じる。
【００９８】
しかし、空気供給路１５２に流れる空気のうち、該空気供給路の終端部に流れる、酸素濃度が低下した空気が、発熱部Ｈ’により加熱され、それにより、低酸素濃度空気が供給される酸素極１３の部分も加熱され、かかる加熱により、低酸素濃度空気が供給される酸素極１３の部分においても、酸素濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、酸素極１３全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、酸素濃度差の発生にも拘らず、燃料電池の発電効率が高められる。発熱部Ｈ’による空気の加熱の程度は、かかる効果を得られるものとすればよい。
これらは、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
【００９９】
また、システムＣでは、マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２を含むポンプユニット１６を採用するとともに、マイクロポンプＭＰ３を含むポンプユニット１８を採用しているので、それだけ全体が小型化、コンパクト化されている。
【０１００】
１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、燃料温度８０℃、供給量２．５ｍｌ／ｍｉｎ．で、熱交換部２１を用いること無く、システムＣの燃料供給部１４の燃料導入口１４１から燃料供給部１４に供給したところ（但し液回収側の発熱部Ｈ’は用ないで）、電圧０．３Ｖにおける電流は６Ａであったが、システムＣにおいて（但し発熱部Ｈ’は用いずに）、同様に１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、燃料温度８０℃、供給量２．５ｍｌ／ｍｉｎ．で、熱交換部２１を介して燃料供給部１４に供給して発電させたところ、電圧０．３Ｖにおける電流は７．５Ａであった。
【０１０１】
マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３は、いずれも図１２に示す基本構造を有するものである。
すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第２絞り流路ｆ２、該第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２間のポンプ室ＰＣ、ポンプ室ＰＣの可撓性壁（ダイアフラム）ＤＦに設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。
【０１０２】
圧電素子ＰＺＴに図示省略のポンプ駆動部から駆動信号としてパルス電圧を印加することでポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させ、それによりポンプ室ＰＣの容積を変動させ、第１絞り流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出できる。
【０１０３】
さらに説明すると、第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２は断面積が同じ又は略同じであるが、流路ｆ１より流路ｆ２は長く形成されている。圧電素子ＰＺＴを駆動するバルス電圧として図１２（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示すパルス電圧を用いる。
【０１０４】
図１２（Ａ）に示すように、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。
【０１０５】
図１２（Ｂ）に示すように、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。
【０１０６】
よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。
【０１０７】
ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容積、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにできる。
ここでは、高濃度液体燃料と希釈液を所定の割合で混合して希釈された、所定燃料濃度の燃料液が得られるように、ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３のそれぞれの送液能力を定めてある。
【０１０８】
なお、図１２に基本構造を示すマイクロポンプは、図１２（Ｆ）に示すように、圧電素子ＰＺＴに緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示すパルス電圧を印加することで、図１２（Ｄ）に示すように流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出でき、図１２（Ｅ）に示すように流路ｆ２から液体を吸引できるが、ここでは、図１２（Ｃ）に示す駆動波形を採用している。
【０１０９】
ポンプＭＰ１、ＭＰ２のそれぞれは、以上説明したように駆動されるが、高濃度液体燃料と希釈液との混合をより円滑、確実化するために、ポンプＭＰ1 、Ｐ２へ印加するパルス電圧波形として図１３（Ａ）に示す波形を採用してもよい。この波形を採用すると、図１３（Ｂ）に示すように、ポンプＭＰ１で送られるＲＡ濃度液体燃料、ポンプＭＰ２で送られる希釈液のそれぞれが間欠的に混合流路に供給され、これにより両液は円滑に混合され、それだけ所定の希釈燃料液が円滑、確実に得られる。なお、各ポンプの駆動波形において電圧値の低い部分は他方のポンプからの液逆流を防ぐためのものである。
【０１１０】
（４）図９及び図１０に示す燃料電池システムＤ
燃料電池システムＤは、燃料電池システムＣにおいて、加熱部２Ｃに代えて、従って熱交換部２１及び発熱部２５に代えて、加熱部２Ｄを採用したものである。
これに伴い、ポンプユニット１６においては、図１０に示すように、マイクロポンプＭＰ１を含む高濃度燃料液供給路１６１、マイクロポンプＭＰ２を含む希釈液供給路１６２及び混合流路１６３のそれぞれの位置及び向きを、システムＣにおけるポンプユニット１６におけるそれらとは異ならせてあり、また、混合流路１６３は燃料供給部１４の燃料導入口１４１に連通させてある。
【０１１１】
加熱部２Ｄは発熱部であり、これはポンプユニット１６に設けられている。さらに言えば、ポンプユニット１６を介して、燃料供給部１４の燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に対応させて設けられている。なお、熱効率を向上させるために、ポンプユニット１６に発熱部２Ｄを嵌め込む貫通孔を形成し、該孔から、発熱部２Ｄを直接燃料供給部１４に設けてもよい。
【０１１２】
加熱部２Ｄ（発熱部）も、適当なヒータを利用したものでもよいが、燃料電池システムＡが電子機器の電源として利用されるものであるときは、該電子機器における発熱する部分（発熱体）を利用したものでもよい。
【０１１３】
また、空気供給部１５側のポンプユニット１８の液回収路１８１は、電池を貫通する孔ｈ’を介して容器Ｃ２に連通している。なお、図１０に示す、ポンプユニット１６における孔１６４は、かかる貫通孔ｈ’を構成する孔である。
システムＣと実質上同じ部分、部品にはシステムＣと同じ参照符号を付してある。
【０１１４】
燃料電池システムＤにおいても、システムＣと同様に発電させることができる。
システムＤでも、燃料供給部１４の燃料導入口１４１から供給された燃料液の燃料濃度は、燃料導入口１４１から遠ざかるほど、換言すれば、燃料供給路１４２の終端部１４２ｅに近づくほど、そこへ至るまでの燃料消費により低下し、燃料極各部で燃料濃度差が生じる。
【０１１５】
しかし、燃料供給路１４２に流れる燃料液のうち、該燃料供給路の終端部１４２ｅを含む下流側部分に流れる、燃料濃度が低下した燃料液は、発熱部２Ｄにより加熱され、それにより、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分も加熱され、かかる加熱により、低濃度燃料液が供給される燃料極１２の部分においても、燃料濃度の低下を補うように電気化学反応が活発化し、それにより、燃料極１２全体としてみれば、それだけ電気化学反応が均一化され、燃料濃度差の発生にも拘らず、それだけ、燃料電池の発電効率が高められる。
これらは、燃料電池１の、携帯機器に不向きな格別の大型化を招くことなく、簡易に達成できる。
発熱部２Ｄによる燃料液の加熱の程度はかかる効果が得られる程度とすればよい。
酸素極１３側においても、システムＣの場合と同様に、電気化学反応が均一化される。      
【０１１６】
前記燃料電池システムＣにおいては、システムのコンパクト化のために、例えば、熱交換部２１とポンプユニット１６につき、図１１に例示するように、１枚の基板の片面に、前記燃料流路２１２と同様の燃料流路２１２”を形成して熱交換部２１”とするとともに、該基板の反対側の面に燃料や希釈液等の流路１６１、１６２、１６３等と同様の流路を形成し、該流路をフィルム２００で閉じ、該フィルム上に圧電素子を配置して、マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２を含むポンプユニット１６”を形成し、該ポンプユニット１６”に発熱部２５を設けてもよい。図１１において、２Ｃ”は、熱交換部２１”と発熱部２５とからなる燃料加熱部である。
【０１１７】
同様に、システムのコンパクト化のために、システムＤにおける燃料供給部１４とポンプユニット１６を１枚の基板の両面に溝流路を形成して一体化させてもよいし、システムＣやＤにおける空気供給部１５とポンプユニット１８についても、１枚の基板の両面に溝流路を形成して一体化させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料液を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであって、燃料電池部分の、携帯機器に不向きな大型化を招くことなく、燃料極及び酸素極のうち少なくとも一方における電気化学反応を極各部で均一化でき、それだけ燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの１例を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は図１の燃料電池システムにおける燃料供給部側の熱交換部の、図１において左側から見た図であり、図２（Ｂ）は該システムにおける燃料供給部の、図１において左側から見た図である。
【図３】図３（Ａ）は図１の燃料電池システムにおける空気供給部側の熱交換部の、図１において右側から見た図であり、図３（Ｂ）は該システムにおける空気供給部の、図１において右側から見た図である。
【図４】図１のシステムにおいて、燃料電池における燃料供給部とそれに対応する熱交換部とを一体化構造のものとするとともに、空気供給部とそれに対応する熱交換部とを一体化構造のものとした場合を示す図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの他の例を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、図５の燃料電池システムにおける燃料供給部及び燃料加熱部（発熱部）を、図５において左側から見た図であり、図６（Ｂ）は、図５の燃料電池システムにおける空気供給部及び空気加熱部（発熱部）を、図５において右側から見た図である。
【図７】本発明に係る燃料電池システムのさらに他の例を示す図である。
【図８】図８（Ａ）は図７の燃料電池システムにおける、燃料極側のポンプユニット及び発熱部の、図７において左側から見た図、図８（Ｂ）は同システムにおける熱交換部の、図７において左側から見た図、図８（Ｃ）は同システムにおける燃料供給部の、図７において左側から見た図、図８（Ｄ）は同システムにおける空気供給部側のポンプユニット及び空気加熱部（発熱部）の、図７において右側から見た図である。
【図９】本発明に係る燃料電池システムのさらに他の例を示す図である。
【図１０】図９の燃料電池システムにおける、燃料極側のポンプユニット及び発熱部の、図９において左側から見た図である。
【図１１】図７のシステムにおける燃料電池の燃料供給部側の熱交換部及びポンプユニットを一体化構造のものとした場合を示す図である。
【図１２】マイクロポンプの１例の基本構造及び動作を示すもので、図１２（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図１２（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図１２（Ｃ）はかかる液体の吐出動作、吸引動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。図１２（Ｄ）は図１２（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図１２（Ｅ）は図１２（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図１２（Ｆ）はかかる反対動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）はマイクロポンプ駆動電圧波形の他の例を示す図であり、図１３（Ｂ）は該波形による送液状態を示す図である。
【符号の説明】
【０１２０】
Ａ  燃料電池システム
１  燃料電池
１１  電解質膜
１２  燃料極（アノード）
１３  酸素極、換言すれば空気極（カソード）
１４  燃料供給部
１４１  燃料導入口
１４２  燃料供給路
１４２ｓ  燃料供給路始端部
１４２ｅ  燃料供給路終端部
１４３  ガス放出孔
１５  空気供給部
１５１  空気導入口
１５２  空気供給路
１５３  液導出口
２Ａ  燃料加熱部
２１  熱交換部
２１１  加熱燃料導入口
２１２  燃料流路
２１２ａ  燃料流路端部
２１２ｓ  燃料流路始端部
２１２ｅ  燃料流路終端部
２２、２３、２４  発熱部
３Ａ  空気加熱部
３１  熱交換部
３１１  加熱空気導入口
３１２  空気流路
３１２  空気流路端部
３１２ｓ  空気流路始端部
３１２ｅ  空気流路終端部
３２  発熱部
Ｃ１  高濃度燃料液収容容器
Ｃ２  希釈液収容容器
Ｌ１  高濃度燃料液供給路
Ｌ２  希釈液供給路
Ｌ３  混合流路
Ｌ４  液回収路
Ｌ４  燃料液循環路
４  気液分離器
ＬＤ  負荷
１４’  燃料供給部
１４１’  燃料導入口
１４２’  燃料供給路
２Ａ’  燃料加熱部
２１’  熱交換部
２１１’  加熱燃料導入口
２１２’  燃料流路
１４０  蓋板
１５’  空気供給部
１５１’  空気導入口
１５２’  空気供給路１５’                                                      １５３’  液導出口
３Ａ’  空気加熱部
３１’  熱交換部
３１１’  加熱空気導入口
３１２’  空気流路
１５０  蓋板
Ｂ  燃料電池システム
２Ｂ  燃料加熱部
Ｈ  空気加熱部
Ｃ  燃料電池システム
２Ｃ  燃料加熱部
１６  ポンプユニット
ＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３  マイクロポンプ
ＰＺＴ１、ＰＺＴ２、ＰＺＴ３  圧電素子
１６１  高濃度燃料液供給路
１６１ａ  供給路１６１の入口
１６２  希釈液供給路
１６２ａ  供給路１６２の入口
１６３  混合流路
Ｈ’  空気加熱部
１８  ポンプユニット
１８１  液回収路
ｈ  貫通孔
１６４  貫通孔
２１３  孔
１４４  孔
１８０  貫通孔
Ｄ  燃料電池システム
２Ｄ  燃料加熱部
ｈ’  孔
２Ｃ”  燃料加熱部
２１”  熱交換部
２１２”  燃料流路
１６”  ポンプユニット
２００  フィルム
【図１】
2007073419.tif 000003
【図２】
2007073419.tif 000004
【図３】
2007073419.tif 000005
【図４】
2007073419.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007073419.tif 000008
【図７】
2007073419.tif 000009
【図８】
2007073419.tif 000010
【図９】
2007073419.tif 000011
【図１０】
2007073419.tif 000012
【図１１】
2007073419.tif 000013
【図１２】
2007073419.tif 000014
【図１３】
2007073419.tif 000015